基于FPGA和DSP的高速圖像處理系統(tǒng)

摘要：為了提高圖像處理系統(tǒng)的高性能和低功耗，提出了一種基于FPGA和DSP協(xié)同作業(yè)的高速圖像處理嵌入式系統(tǒng)，其中DSP為主處理器，負(fù)責(zé)圖像處理，而FPGA為協(xié)處理器，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的所有數(shù)字邏輯。整個(gè)系統(tǒng)中FPGA和DSP的工作之間形成流水，同時(shí)借助于單片雙口RAM(CY7C025 AV-15AI)完成兩者的通信，比使用單片DSP建立的處理系統(tǒng)性能提高25％左右。該系統(tǒng)具有可重構(gòu)性，方便其他的算法于該系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：圖像處理；FPGA；DSP；雙口RAM

0 引言
    現(xiàn)階段用于數(shù)字圖像處理的系統(tǒng)有很多種，而從成本、性能、開(kāi)發(fā)難易程度等多方面的考慮，基于FPGA和DSP的靈活性高、實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高的圖像壓縮系統(tǒng)脫穎而出。在該種結(jié)構(gòu)的圖像處理系統(tǒng)當(dāng)中，F(xiàn)PGA和DSP之間數(shù)據(jù)的通信方式和速度，將直接影響著整個(gè)圖像處理系統(tǒng)的效率。
    本文試圖借助于ALTERA公司的低功耗FPGA(EP1C12Q240)、TI公司的DSP(TMS320VC5502)和一片CYPRESS公司雙口RAM(CY7C025)，設(shè)計(jì)出一種功耗低、設(shè)計(jì)靈活、能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜處理算法且高效、穩(wěn)定的圖像處理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)主要模塊分為電源管理模塊、圖像采集模塊、速度采集模塊、主控源模塊及輔助控制模塊。整個(gè)高速圖像處理系統(tǒng)主要由CMOS圖像傳感器(MT9M011)、FPGA(EP1C12Q240C8)、雙口RAM(CY7C025)、DSP(TM320VC5502)、視頻D／A(ADV7123)和一些存儲(chǔ)器等組成，如圖1所示。首先，在圖像采集模塊控制COMS圖像傳感器下，圖像數(shù)據(jù)則以25 f／s的速率向FPGA輸送。然后，通過(guò)FPGA的控制使其緩存在片外的SDRAM中，之后實(shí)時(shí)顯示模塊控制ADV7123做到了對(duì)圖像的實(shí)時(shí)顯示。如果用戶通過(guò)外部控制，選擇了壓縮模式，則原始的圖像數(shù)據(jù)將由幀存模塊移至高速緩沖模塊中，DSP通過(guò)EMIF接口外擴(kuò)存儲(chǔ)器的方式，高效的讀取雙口RAM中的圖像數(shù)據(jù)。最后，圖像數(shù)據(jù)在DSP內(nèi)部做好JPEG壓縮后，以相同的方式通過(guò)高速緩沖模塊，把數(shù)據(jù)傳給FPGA的存儲(chǔ)控制模塊，做到壓縮圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 圖像采集模塊
    本系統(tǒng)圖像采集模塊采用的攝像頭為CMOS圖像傳感器，型號(hào)為MT9M011。CMOS圖像傳感器與CCD傳感器相比，雖然采集出來(lái)的圖像效果弱差一點(diǎn)，但是CMOS的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CCD產(chǎn)品，而且CMOS傳感器的功耗較低。圖像采集模塊具體設(shè)計(jì)如圖2所示。
2．2 圖像顯示模塊
    圖像顯示模塊主要作用是將FPGA采集到的數(shù)字圖像，實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換成模擬圖像數(shù)據(jù)，并輸出到帶VGA接口的顯示器上。圖像顯示接口電路包括圖像編碼電路和VGA接口電路，其電路如圖3所示。本電路中選用的圖像編碼芯片為AD(Analog Devices)公司的高速視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，其具體型號(hào)為ADV7123KST140。該芯片具有3組獨(dú)立的十位寬RGB數(shù)字輸入接口和3個(gè)相對(duì)的RGB模擬輸出接口，5 V或3．3 V供電都行，速度為140 MHz，低功耗。

2．3 DSP外部存儲(chǔ)器接口電路設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)中選用TI公司的超低功耗DSP(TMS320VC5502)，主要是來(lái)完成圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)。在對(duì)外部存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)上，該DSP采用外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)來(lái)進(jìn)行對(duì)外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，具體擴(kuò)展如圖3所示。
    TMS320VC5502的EMIF可以訪問(wèn)的存儲(chǔ)空間大小為16 MB，該系統(tǒng)中通過(guò)配置把空間平分為4部分，EMIF的片選信號(hào)線CE3～CE0分別對(duì)應(yīng)著這4個(gè)空間的選通控制。另外EMIF的組成還包括數(shù)據(jù)線D[31：0]、地址線A[21：2]、字節(jié)使能線：BE[3：0]及各類存儲(chǔ)器的讀／寫控制信號(hào)線等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的總體劃分，也可以分為2大部分來(lái)描述。FPGA方面的軟件設(shè)計(jì)主要是各功能模塊的編寫，如攝像頭I2C配置模塊、SDRAM控制器、圖像圖像預(yù)處理器、VGA控制器、SD卡控制器、高速緩沖器等；DSP方面的設(shè)計(jì)主要包括2方面，一方面是外部存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)的編寫，如SDRAM、雙口RAM、FLASH等；另一方面為在DSP內(nèi)部實(shí)現(xiàn)高效的圖像壓縮算法，如本文采用的JPEG壓縮算法的實(shí)現(xiàn)。

    整個(gè)系統(tǒng)的程序運(yùn)行如圖4所示，從高速壓縮系統(tǒng)軟件流程圖中可以清楚的看到，F(xiàn)PGA和DSP各自的程序運(yùn)行遵循著自己的一套規(guī)則，但是它們之間的之間又實(shí)時(shí)的完成著數(shù)據(jù)的交互。FPGA向DSP方向的指令，是通過(guò)FPGA方面設(shè)置了一個(gè)中斷信號(hào)，當(dāng)DSP接受到該信號(hào)的時(shí)候，就開(kāi)始從雙口RAM中按照規(guī)則進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的讀?。籇SP如果要完成向FPGA方面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，遵循的一個(gè)類似的執(zhí)行規(guī)則，DSP會(huì)提供一個(gè)能夠進(jìn)行辨別的信號(hào)，讓其從雙口RAM中把壓縮后的圖像數(shù)據(jù)讀進(jìn)來(lái)。

4 測(cè)試結(jié)果
    將FPGA上的程序下載EPCS中和將DSP開(kāi)發(fā)程序燒寫進(jìn)FLASH(默認(rèn)自舉方式)，對(duì)實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試。設(shè)置采集和處理圖像分辨率為640×480，視頻YUV下采樣率選4：1：1，DSP中壓縮一幀圖像所用的時(shí)間在23 ms左右，壓縮比基本上在10：1～20：1的范圍內(nèi)，且SNR值基本上保證在30 dB以上。23 ms的DSP壓縮時(shí)間，再加上每幀采集、傳輸和JPEG文件存儲(chǔ)所用的時(shí)間，大約在31 ms左右，因此系統(tǒng)整體效率上能保證對(duì)采集來(lái)的圖像做實(shí)時(shí)處理。測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)已經(jīng)達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論
    本文基于FPGA和DSP，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、性能高、功耗低的高速圖像處理系統(tǒng)。在總結(jié)現(xiàn)有的FPGA與DSP高速通訊方式的基礎(chǔ)上，提出了一種利用單片雙口RAM做通信媒質(zhì)完成FPGA與DSP之間數(shù)據(jù)高速通訊的結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)更好的嵌入式圖像處理系統(tǒng)提供了一個(gè)良好的解決方案。